Materie und Kräfte leicht Auftriebskraft, Physik

Warum schwimmt ein schweres Schiff aus Stahl?

Versuch mal!

  1. Schau dir die Gegenstände an, die du gesammelt hast, und überlege dir, was passiert, wenn du sie ins Wasser legst. Werden sie schwimmen oder untergehen?
  2. Fülle Wasser in den Behälter und probier aus, ob du mit deinen Vermutungen Recht gehabt hast.
  3. Lege jetzt nur die Kugel aus Knetmasse in das Glas und markiere mit dem roten Filzstift, wie hoch das Wasser steht.
  4. Nimm die Kugel heraus und forme daraus ein Schiffchen. Achte darauf, dass beim Umformen keine Knetmasse verloren geht. Das Schiffchen ist genauso schwer wie die Kugel zuvor. Was wird passieren, wenn du das Schiff in das Glas Wasser legst? Versuche es!
  5. Dann markiere mit einem grünen Stift wieder den Wasserstand (also wie hoch das Wasser im Glas steht). Was kannst du beobachten?

Was passiert?

Manche Dinge, die du gesammelt hast, schwimmen, andere gehen unter. Die Kugel aus Knetmasse zum Beispiel sinkt auf den Boden des Behälters. Wenn du aber daraus ein Schiffchen formst, schwimmt es!

Du wirst auch beobachten, dass der Wasserstand im Glas ein bisschen höher wird, wenn du die Kugel ins Glas legt, und noch ein bisschen höher, wenn du das Schiff ins Glas legst (der grüne Filzstiftstrich ist oberhalb vom roten).

Warum ist das so?

Legt man einen Gegenstand ins Wasser, so wirken zwei Kräfte. Die Gewichtskraft (die umso größer ist, je schwerer der Gegenstand ist) zieht nach unten. Aber auch das Wasser übt eine Kraft aus, die „Auftriebskraft“. Sie drückt den Gegenstand nach oben. Das Plastilinschiffchen ist genauso schwer wie die Kugel, die Kraft, die nach unten zieht, ist in beiden Fällen gleich groß. Was ist also der Unterschied?

Das Schiffchen nimmt im Wasser mehr Platz ein als die Kugel (das kannst du daran sehen, dass sich der Wasserstand verändert). Man sagt: „Das Schiff verdrängt mehr Wasser als die Kugel.“ Je mehr Wasser verdrängt wird, desto stärker drückt die Auftriebskraft nach oben. Wenn das verdrängte Wasser genauso schwer ist wie der eingetauchte Gegenstand, dann drückt die Auftriebskraft genauso stark nach oben, wie die Gewichtskraft nach unten zieht – der Gegenstand schwimmt! Ist das verdrängte Wasser leichter als der Gegenstand, dann zieht ihn die Gewichtskraft nach unten und er sinkt.

Wo brauche ich das?

Du kannst nun verstehen, warum „echte“ Schiffe aus Stahl schwimmen! Ein Schiff verdrängt eine große Menge Wasser. Dieses verdrängte Wasser ist genauso schwer wie das Schiff selber. Die Auftriebskraft (des Wassers) ist also gleich groß wie die Gewichtskraft (des Schiffes): Das Schiff schwimmt!

Übrigens:

Versuch mal, einen schweren Stein in der Hand zu halten und in Wasser zu tauchen. Im Wasser fühlt sich der Stein plötzlich leichter an. Der Grund dafür ist die Auftriebskraft, die nach oben „drückt“. Was passiert? Wo liegt bei diesem der Schwerpunkt?